JP7127511B2 - fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to fuel cell systems.
従来、このような分野の技術として、複数の燃料電池セルが積層される燃料電池スタックと、燃料電池スタックに水素などの燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、燃料電池スタックから排出された燃料オフガス(すなわち、未消費の燃料ガス)を燃料ガス供給流路に還流させる循環流路とを備える燃料電池システムが知られている。このような構成を有する燃料電池システムでは、循環流路を流れる燃料オフガスの中に、気液分離器で分離し切れない生成水と凝縮水からなる液水が含まれる可能性がある。そして、液水が燃料ガスの流れによって燃料電池スタックの内部に侵入すると、燃料電池セルの発電性能の低下を招いてしまう。 Conventionally, as a technology in such a field, a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked, a fuel gas supply channel for supplying fuel gas such as hydrogen to the fuel cell stack, and a fuel gas discharged from the fuel cell stack A fuel cell system is known that includes a circulation channel for recirculating fuel off-gas (that is, unconsumed fuel gas) to a fuel gas supply channel. In the fuel cell system having such a configuration, the fuel off-gas flowing through the circulation flow path may contain liquid water composed of generated water and condensed water that cannot be completely separated by the gas-liquid separator. If the liquid water enters the fuel cell stack due to the flow of the fuel gas, the power generation performance of the fuel cell will deteriorate.
このような問題を解決するために、様々な工夫が検討されている。例えば下記特許文献1には、燃料ガス供給流路内に燃料ガスと燃料オフガスとを流し、更に強制的な流れを起こすことで燃料オフガスに含まれる液水を撹拌して均一化し、その均一化した状態で燃料電池スタックに供給する燃料電池システムが開示されている(例えば特許文献1の段落0102)。
In order to solve such problems, various ideas have been studied. For example, in
しかし、上述の燃料電池システムでは、燃料オフガスの流入によって発生した流れは、燃料ガス供給流路に対して螺旋状の流れとなるので、燃料オフガスに含まれる液水が燃料電池セル入口に集中してしまう可能性がある。 However, in the fuel cell system described above, the flow generated by the inflow of the fuel off-gas becomes a spiral flow with respect to the fuel gas supply channel, so the liquid water contained in the fuel off-gas concentrates at the fuel cell inlet. There is a possibility that
本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、液水が燃料電池セル入口に集中することを防止することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of preventing liquid water from concentrating at the fuel cell inlet.
本発明に係る燃料電池システムは、発電部を有する燃料電池セルが複数積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックと連通し、燃料ガス及び燃料オフガスの混合ガスを前記燃料電池スタックに供給する混合ガス供給流路と、前記混合ガス供給流路に設けられ、前記混合ガスに回転力を付与する撹拌ミキサーと、を備え、前記撹拌ミキサーは、前記混合ガスに含まれる液水を前記発電部側とは反対側に誘導するためのガイドリブを有することを特徴としている。 A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells each having a power generation unit are stacked, communicates with the fuel cell stack, and supplies a mixed gas of a fuel gas and a fuel off-gas to the fuel cell stack. a mixed gas supply channel; and a stirring mixer provided in the mixed gas supply channel and imparting a rotational force to the mixed gas, wherein the stirring mixer transfers liquid water contained in the mixed gas to the power generation unit. It is characterized by having a guide rib for guiding to the side opposite to the side.
本発明に係る燃料電池システムでは、撹拌ミキサーは混合ガスに含まれる液水を発電部側とは反対側に誘導するためのガイドリブを有するので、混合ガスに含まれる液水がガイドリブに誘導されて燃料電池セル入口とは逆の方向に移動することになる。このため、液水が燃料電池セル入口に集中することを防止することができる。 In the fuel cell system according to the present invention, the stirring mixer has the guide ribs for guiding the liquid water contained in the mixed gas to the side opposite to the power generation section side, so that the liquid water contained in the mixed gas is guided to the guide ribs. It moves in the direction opposite to the fuel cell inlet. Therefore, it is possible to prevent liquid water from concentrating at the inlet of the fuel cell.
本発明によれば、液水が燃料電池セル入口に集中することを防止することができる。 According to the present invention, liquid water can be prevented from concentrating at the inlet of the fuel cell.
以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池システムの実施形態について説明する。図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、重複説明は省略する。本発明に係る燃料電池システムは、車両、船舶、航空機、電車等に搭載されて駆動源として用いられても良く、建物の発電設備として用いられても良い。 An embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. The fuel cell system according to the present invention may be mounted on a vehicle, ship, aircraft, train, or the like and used as a drive source, or may be used as a building power generation facility.
[第1実施形態]
図1は第1実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図であり、図2は燃料電池スタック及びスタックマニホールドを示す斜視図である。本実施形態の燃料電池システム1は、主に、燃料電池スタック10と、燃料電池スタック10に空気等の酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系20と、燃料電池スタック10に水素等の燃料ガスを供給する燃料ガス供給系30とを備えている。
[First embodiment]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to the first embodiment, and FIG. 2 is a perspective view showing a fuel cell stack and a stack manifold. The
燃料電池スタック10は、複数の燃料電池セル11が積層されるセルスタックであり、固体高分子電解質型燃料電池を構成している。図示しないが、燃料電池セル11は、例えばイオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層(アノード電極)およびカソード側触媒層(カソード電極)とからなる膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を有する。更に、燃料電池セル11は、MEAを挟持する一対のセパレータ(すなわち、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータ)を有する。
The
また、MEAの両側には、燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)が更に形成される場合がある。この場合、GDLが両側に配置された膜電極接合体は、MEGA(Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly)と称される。MEGAは、更に上述のアノード側セパレータ及びカソード側セパレータによって挟持されている。そして、ガス拡散層を有するMEGAの場合、該MEGAは燃料電池セル11の発電部111を構成する。一方、ガス拡散層を有さないMEGAの場合、該MEAが燃料電池セル11の発電部111を構成する。
Further, on both sides of the MEA, a gas diffusion layer (GDL) may be further formed for supplying fuel gas or oxidant gas and collecting electricity generated by an electrochemical reaction. In this case, a membrane electrode assembly with GDLs arranged on both sides is called MEGA (Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly). The MEGA is further sandwiched by the anode side separator and the cathode side separator described above. In the case of a MEGA having a gas diffusion layer, the MEGA constitutes the
図2に示すように、発電部111は燃料電池セル11の略中央位置に配置されている。燃料電池セル11において、発電部111を挟んで一方側(図2では上側)には、燃料ガス入口連通孔112aと、冷媒出口連通孔112bと、酸化剤ガス出口連通孔112cとが順に設けられている。発電部111を挟んで他方側(図2では下側)には、酸化剤ガス入口連通孔112dと、冷媒入口連通孔112eと、燃料ガス出口連通孔112fとが順に設けられている。これらの連通孔112a~112fは、マニホールド孔ともいい、それぞれ矩形状に形成されている。
As shown in FIG. 2 , the
そして、燃料電池スタック10の積層方向の一端部には、スタックマニホールド(エンドプレートともいう)12が配置されている。スタックマニホールド12は、例えばアルミニウム等の金属材料によって略矩形板状に形成されており、ボルト等で燃料電池スタック10と締結固定されている。スタックマニホールド12において、燃料電池セル11の燃料ガス入口連通孔112aと対応する位置には燃料ガス入口連通孔12a、冷媒出口連通孔112bと対応する位置には冷媒出口連通孔12b、酸化剤ガス出口連通孔112cと対応する位置には酸化剤ガス出口連通孔12c、酸化剤ガス入口連通孔112dと対応する位置には酸化剤ガス入口連通孔12d、冷媒入口連通孔112eと対応する位置には冷媒入口連通孔12e、燃料ガス出口連通孔112fと対応する位置には燃料ガス出口連通孔12fが、それぞれ設けられている。
A stack manifold (also referred to as an end plate) 12 is arranged at one end in the stacking direction of the
これらの連通孔12a~12fは、対応する燃料電池セル11に設けられた連通孔112a~112fと同じ大きさを有するように矩形状に形成されている。
These
図1に示すように、酸化剤ガス供給系20は、例えば、燃料電池スタック10のカソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路21と、燃料電池スタック10に供給され、各燃料電池セル11で電気化学反応に供された後の酸化剤オフガスを燃料電池スタック10から排出する酸化剤ガス排出流路22とを有する。酸化剤ガス供給流路21は、スタックマニホールド12の酸化剤ガス入口連通孔12d及び燃料電池セル11の酸化剤ガス入口連通孔112dと順に連通している。酸化剤ガス排出流路22は、スタックマニホールド12の酸化剤ガス出口連通孔12c及び燃料電池セル11の酸化剤ガス出口連通孔112cと順に連通している。
As shown in FIG. 1, the oxidant
酸化剤ガス供給流路21及び酸化剤ガス排出流路22は、例えばホース、配管及び継手部材等によってそれぞれ構成されている。また、酸化剤ガス供給流路21には、エアクリーナ23、エアコンプレッサ24、インタクーラ25、バルブ等が備えられている。酸化剤ガス排出流路22には、マフラ26、バルブ等が備えられている。
The oxidant
一方、燃料ガス供給系30は、例えば、水素等の高圧の燃料ガスを貯留する燃料ガス供給源31と、燃料ガス供給源31からの燃料ガスを燃料電池スタック10のアノード電極へ供給する燃料ガス供給流路32と、燃料電池スタック10から排出された燃料オフガス(すなわち、未消費の燃料ガス)を燃料ガス供給流路32に還流させる循環流路33と、循環流路33に分岐接続されて循環流路33内の燃料オフガスを外部へ排出する燃料ガス排出流路34とを有する。燃料ガス供給流路32、循環流路33及び燃料ガス排出流路34は、例えばホース、配管及び継手部材等によってそれぞれ構成されている。図示しないが、燃料ガス供給流路32には、圧力計、インジェクタ、レギュレータ、バルブ等が備えられている。
On the other hand, the fuel
循環流路33の上流側(すなわち、燃料電池スタック10側)の端部は、スタックマニホールド12の燃料ガス出口連通孔12f及び燃料電池セル11の燃料ガス出口連通孔112fと順に連通している。この循環流路33には、気液分離器35、水素循環ポンプ36等が備えられている。気液分離器35は、循環流路33を流れる燃料オフガスに含まれる生成水及び凝縮水(すなわち、液水)を気液分離して貯留する。この気液分離器35から分岐して、上述の燃料ガス排出流路34が設けられている。水素循環ポンプ36は、気液分離器35で気液分離した燃料オフガスを供給して燃料ガス供給流路32へ還流させる。
The end of the
循環流路33は、合流管37を介して燃料ガス供給流路32に接続されている。合流管37は、燃料ガス供給源31から供給される燃料ガスと循環流路33から供給される燃料オフガスとを合流させ、燃料電池スタック10に送り出す。従って、燃料ガス供給源31から供給される燃料ガスと循環流路33から供給される燃料オフガスとは、該合流管37で混合して混合ガスとなり、混合ガス供給流路38を経由して燃料電池スタック10に流れる。
The
混合ガス供給流路38は、燃料ガス供給流路32の一部であり、すなわち、燃料ガス供給流路32のうち合流管37からスタックマニホールド12までの区間である。そして、混合ガス供給流路38の下流側(すなわち、燃料電池スタック10側)の端部は、スタックマニホールド12の燃料ガス入口連通孔12aと燃料電池セル11の燃料ガス入口連通孔112aと順に連通している。
The mixed
図示しないが、本実施形態の燃料電池システム1は、燃料電池スタック10に冷媒を供給する冷媒供給流路と、燃料電池スタック10から排出された冷媒をラジエータ側に循環する冷媒排出流路とを備えている。冷媒供給流路は、スタックマニホールド12の冷媒入口連通孔12e及び燃料電池セル11の冷媒入口連通孔112eと順に連通している。冷媒排出流路は、スタックマニホールド12の冷媒出口連通孔12bと燃料電池セル11の冷媒出口連通孔112bと順に連通している。
Although not shown, the
また、本実施形態の燃料電池システム1は、混合ガス供給流路38に設けられており、燃料ガス及び燃料オフガスを混合するとともに混合した混合ガスに回転力を付与する撹拌ミキサー39を更に備えている。具体的には、図3に示すように、混合ガス供給流路38を形成する配管の内部において、混合ガス供給流路38におけるスタックマニホールド12の燃料ガス入口連通孔12aの直前位置に、撹拌ミキサー39が固定されている。
Further, the
以下、図4を参照して撹拌ミキサー39の構造を説明する。図4において、(a)は撹拌ミキサーを示す平面図であり、(b)は(a)のX-X線に沿う断面図である。撹拌ミキサー39は、例えば一枚の薄板をねじることにより形成された螺旋状のミキサー本体391と、ミキサー本体391の螺旋形状に沿って設けられたガイドリブ392とを有する。ミキサー本体391の螺旋形状は、混合ガスの流れを発電部111側とは反対側(図3においては上側)に向かわせるようにされている。
The structure of the stirring
一方、ガイドリブ392は、長尺状を呈しており、ミキサー本体391の螺旋中心軸側の表面から径方向に突出するとともに、ミキサー本体391の全長にわたって配置されている。そして、このガイドリブ392は、混合ガスに含まれる液水を発電部111側とは反対側に誘導するように、ミキサー本体391の螺旋形状に倣って形成されている。図4(b)に示すように、ガイドリブ392は、断面矩形状を呈し、ミキサー本体391と一体化されている。
On the other hand, the
このような構造を有する撹拌ミキサー39は、ミキサー本体391とガイドリブ392とが樹脂成型で一体的に形成されている。なお、撹拌ミキサー39は、別体に作製したガイドリブ392を接着等でミキサー本体391に固定することにより形成されても良い。
In the stirring
以上のように構成された燃料電池システム1では、撹拌ミキサー39が混合ガスに含まれる液水を発電部111側とは反対側に誘導するためのガイドリブ392を有するので、混合ガスに含まれる液水は、図3の矢印Fに示すように、ガイドリブ392に誘導されて燃料電池セル11入口とは逆の方向に移動することになる。このため、液水が燃料電池セル11入口に集中することを防止することができ、液水の侵入に起因する発電性能の低下を抑制することができる。
In the
また、ガイドリブ392を有する撹拌ミキサー39は、混合ガス供給流路38における燃料ガス入口連通孔12aの直前位置に設けられているので、混合ガスに含まれた液水を燃料電池セル11の発電部111側とは反対側の位置に効率良く移動させることができる。
In addition, since the stirring
[第2実施形態]
以下、図5を参照して燃料電池システムの第2実施形態を説明する。本実施形態に係る燃料電池システムは、撹拌ミキサーのガイドリブの形状において上述した第1実施形態と異なっているが、その他の構造は第1実施形態と同様であるため、重複説明を省略する。
[Second embodiment]
A second embodiment of the fuel cell system will be described below with reference to FIG. The fuel cell system according to this embodiment differs from the above-described first embodiment in the shape of the guide ribs of the agitating mixer, but the rest of the structure is the same as in the first embodiment, so redundant description will be omitted.
具体的には、図5(a)に示すように、撹拌ミキサー39Aは、一枚の薄板をねじることにより形成された螺旋状のミキサー本体391と、ミキサー本体391の螺旋形状に沿って設けられたガイドリブ393とを有する。ガイドリブ393は、混合ガスに含まれる液水を発電部111側とは反対側に誘導するように、ミキサー本体391の全長にわたって配置されている。
Specifically, as shown in FIG. 5A, the stirring
図5(b)に示すように、ガイドリブ393は、断面L字状を呈し、ミキサー本体391から径方向に突出する基端部393aと、基端部393aの先端から該ガイドリブ393と直交するように折り曲げられる折曲部393bとを有する。折曲部393bは、ミキサー本体391の螺旋中心軸側に向って折り曲げられている。このような構造を有する撹拌ミキサー39Aは、ミキサー本体391とガイドリブ393とが樹脂成型で一体的に形成されている。
As shown in FIG. 5(b), the
本実施形態の燃料電池システムによれば、上述の第1実施形態と同様な作用効果を得られるほか、更に以下の効果を奏する。すなわち、撹拌ミキサー39Aのガイドリブ393が、径方向に突出する基端部393aと該基端部393aと直交する折曲部393bとを有するので、基端部393aと折曲部393bとで形成された隅部が液水をキャッチする役割を果たす。このため、液水が燃料電池セル11入口に集中することを防止する効果を一層高めることができる。
According to the fuel cell system of this embodiment, in addition to obtaining the same effects as those of the above-described first embodiment, the following effects are obtained. That is, since the
本願発明者らは、本発明の効果を検証するために、上述した燃料電池システム1を用いて、ガイドリブを有さない撹拌ミキサー(比較例)、第1実施形態と同じ構造のガイドリブを有する撹拌ミキサー(実施例1)、第2実施形態と同じ構造のガイドリブを有する撹拌ミキサー(実施例2)についてそれぞれモデルを作製し、作製した各モデルに対して流体解析ソフトウェアFluent(アンシス・ジャパン株式会社製)で燃料電池セル入口の液水量の解析を行った。
In order to verify the effects of the present invention, the inventors of the present application used the
図6は実施例1と比較例との解析結果を示す図である。図6に示すように、比較例と比べて実施例1の方は、燃料電池セル入口の液水量が67%減少したことが分かった。これによって、撹拌ミキサーにガイドリブを設けることにより燃料電池セル入口の液水の集中を防止できることが証明された。 FIG. 6 is a diagram showing analysis results of Example 1 and Comparative Example. As shown in FIG. 6, in Example 1, the amount of liquid water at the fuel cell inlet decreased by 67% compared to Comparative Example. This proves that the concentration of liquid water at the inlet of the fuel cell can be prevented by providing the stirring mixer with guide ribs.
図7は実施例2と比較例との解析結果を示す図である。図7に示すように、比較例と比べて実施例2の方は、燃料電池セル入口の液水量が83%減少したことが分かった。これによって、撹拌ミキサーにガイドリブを設けることにより燃料電池セル入口の液水の集中を防止できることが証明された。更に、実施例1と比べて実施例2の方は、燃料電池セル入口の液水量が更に減少したことが分かった。これによって、第2実施形態で述べたように、ガイドリブの基端部及び折曲部により形成された隅部で液水をキャッチし、燃料電池セル入口における液水の集中を防止する効果を更に高めるできることが証明された。 FIG. 7 is a diagram showing analysis results of Example 2 and Comparative Example. As shown in FIG. 7, in Example 2, the amount of liquid water at the fuel cell inlet was reduced by 83% compared to Comparative Example. This proves that the concentration of liquid water at the inlet of the fuel cell can be prevented by providing the stirring mixer with guide ribs. Furthermore, it was found that the amount of liquid water at the inlet of the fuel cell was further reduced in Example 2 as compared with Example 1. Thereby, as described in the second embodiment, the liquid water is caught by the corners formed by the base ends and the bent portions of the guide ribs, and the effect of preventing liquid water from concentrating at the inlet of the fuel cell is further enhanced. It has been proven that it can be increased.
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、燃料電池スタックは、スタックマニホールドに隣接する位置にダミーセル(非発電セル)を更に設けても良い。この場合は、上述の実施形態と同じ作用効果を得られる。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various designs can be made without departing from the spirit of the invention described in the claims. Changes can be made. For example, the fuel cell stack may further include dummy cells (non-power generating cells) adjacent to the stack manifold. In this case, the same effect as the embodiment described above can be obtained.
また、上述の実施形態において、ガイドリブについて断面矩形状及び断面L字状の例を説明したが、ガイドリブの断面形状はこれらに限定されず、断面円弧状や断面三日月状等であっても良い。また、ガイドリブは、ミキサー本体ではなく、合流管内壁(撹拌ミキサーの位置)に設けられても良く、或いは混合ガス供給流路内壁の撹拌ミキサーに対応する位置に設けられても良い。更に、燃料電池システムの構造は上述の内容に限らず、例えば、混合ガス供給流路において撹拌ミキサーの上流側に不純物を除去するフィルターを更に設けても良い。 In the above-described embodiment, examples of the guide ribs having a rectangular cross section and an L-shaped cross section have been described. Also, the guide ribs may be provided on the inner wall of the confluence pipe (position of the agitating mixer) instead of the mixer body, or may be provided on the inner wall of the mixed gas supply flow channel at a position corresponding to the agitating mixer. Furthermore, the structure of the fuel cell system is not limited to the above. For example, a filter for removing impurities may be further provided on the upstream side of the stirring mixer in the mixed gas supply channel.
1 燃料電池システム
10 燃料電池スタック
11 燃料電池セル
12 スタックマニホールド
12a 燃料ガス入口連通孔
30 燃料ガス供給系
32 燃料ガス供給流路
33 循環流路
37 合流管
38 混合ガス供給流路
39,39A 撹拌ミキサー
111 発電部
112a 燃料ガス入口連通孔
391 ミキサー本体
392,393 ガイドリブ
393a 基端部
393b 折曲部
1
Claims (1)
前記燃料電池スタックと連通し、燃料ガス及び燃料オフガスの混合ガスを前記燃料電池スタックに供給する混合ガス供給流路と、
前記混合ガス供給流路に設けられ、前記混合ガスに回転力を付与する撹拌ミキサーと、を備え、
前記撹拌ミキサーは、前記混合ガスの流れを前記発電部側とは反対側に向かわせるように螺旋状に形成されるミキサー本体と、前記混合ガスに含まれる液水を前記発電部側とは反対側に誘導するように前記ミキサー本体の螺旋中心軸方向に沿って前記ミキサー本体の全長にわたって配置されるガイドリブを有することを特徴とする燃料電池システム。 a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells having power generation units are stacked;
a mixed gas supply channel that communicates with the fuel cell stack and supplies a mixed gas of fuel gas and fuel off-gas to the fuel cell stack;
a stirring mixer that is provided in the mixed gas supply channel and imparts a rotational force to the mixed gas,
The agitating mixer includes a mixer body formed in a spiral shape so as to direct the flow of the mixed gas to the side opposite to the power generation section, and liquid water contained in the mixed gas to the side opposite to the power generation section. A fuel cell system comprising guide ribs arranged over the entire length of the mixer body along the direction of the helical center axis of the mixer body so as to guide the mixer body to the side.
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